IWF kritisiert die Umweltbelastung von Bitcoin und Künstlicher Intelligenz

In einem neuen Bericht des Internationalen Währungsfonds (IWF) beschäftigen sich die Autoren Shafik Hebous und Nate Vernon-Lin mit den Umweltauswirkungen von Kryptowährungen und Künstlicher Intelligenz (KI) sowie mit möglichen staatlichen Maßnahmen dagegen.

Gleich zu Beginn des Berichts stellen die Autoren fest, dass die Gemeinsamkeit von KI und Kryptowährungen der große Bedarf an Strom ist.

Krypto-Mining und Rechenzentren sind mittlerweile für 2 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs und fast 1 Prozent der globalen Emissionen verantwortlich, und ihr Fußabdruck wächst weiter. 
_{Auszug aus dem Bericht}

Auf der Grundlage eines weiteren IWF-Berichts sowie einer Schätzung der International Energy Agency beziffern die Autoren die globalen Anteile der beiden Branchen am Stromverbrauch für das Jahr 2027 mit 3,5 und die Emissionen mit 1,2 Prozent.

Abgesehen davon, dass der Stromverbrauch des Bitcoin-Netzwerks aufgrund der fehlerhaften Cambridge-Studie in der Berichterstattung zu hoch eingeschätzt wurde, legt der IWF-Bericht dem Leser nahe, dass der Fußabdruck beider Technologien weiter wächst, was teilweise auch durch die Zahlen untermauert wird. Dass dies ein falsch vermittelter Eindruck ist, wird im Laufe dieses Artikels noch näher erläutert.

Die Autoren des IWF-Berichts kritisieren zudem die staatlichen Anreize sowie die fehlende Besteuerung für die Unternehmen dieser Branchen. Um deren Emissionen zu verringern, schlagen die Autoren länderübergreifende Maßnahme vor.

Sie fordern beispielsweise CO₂-Gutschriften, Zertifikate für nachhaltige Energiequellen und einen globalen Preis für Kohlenstoff. Dies soll die Abwanderung der Unternehmen verhindern und die Branchen zur Nutzung von energieeffizienteren Geräten und sauberen Energiequellen anregen, während sich die Nutzung fossiler Brennstoffe und die CO₂-Emissionen reduzieren sollen. Zusätzlich könnten durch politische Anreize KI-Anwendungen geschaffen werden, die zu einer effizienteren Energienutzung und somit zu einer Senkung der Stromnachfrage führen, bemerken die Autoren.

Schließlich schlagen die Autoren die Einführung einer Sondersteuer pro genutzter Kilowattstunde (kWh) vor, wobei auch die Auswirkungen der Luftverschmutzung Berücksichtigung finden. Dies würde dem Staat enorme Zusatzeinnahmen einbringen, aber den Strompreis der Miner – und somit den Hauptteil ihrer Gesamtkosten – um 85 Prozent erhöhen.

Für die Besteuerung der Künstlichen Intelligenz setzen die Autoren jedoch einen niedrigeren Preis an als für das Bitcoin-Mining, da KI-Rechenzentren angeblich „grünere Energiequellen“ nutzen als die Mining-Anlagen. So schlagen die Autoren für die KI-Anwendungen einen Preis von 0,052 US-Dollar pro genutzter Kilowattstunde vor und für das Bitcoin-Mining 0,089 US-Dollar. Die Grundlage für den Preis der Bitcoin-Mining-Steuer bildete ein weiterer IWF-Bericht derselben Autoren mit dem Titel „Cryptocarbon – How much is the corrective?“. In diesen Bericht beziehen sich die Autoren jedoch auf Quellen wie Alex de Vries oder Mora et al. – diese wurden jedoch bereits mehrfach widerlegt. Auch die Zahlengrundlage der Cambridge-Studie ist nachweislich veraltet. Zudem beschäftigt sich dieser Bericht ausschließlich mit Kryptowährungen. Die Grundlage für den besseren Preis der KI-Steuer wird nicht genannt. Letztlich vermittelt der aktuelle IWF-Bericht so erneut den Eindruck, dass sich KI-Rechenzentren weniger auf die Umwelt auswirken würden als Bitcoin-Mining-Anlagen.

Obwohl die im Bericht verwendete Grafik zeigt, dass nur die Anteile der KI bis 2027 zunehmen, während die Anteile der Kryptowährungen zurückgehen, fehlt eine korrekte Einordnung von KI-Anwendungen und Bitcoin-Mining.

Die Autoren des IWF-Berichts ignorieren viele umweltfreundliche Aspekte des Bitcoin-Minings, die in unterschiedlichen Studien belegt und größtenteils auch von den Leitmedien aufgegriffen wurden. Sie stützen sich hingegen auf nicht aktuelle Datensätze und diskreditierte Forschungsergebnisse und entziehen ihrer „Forschung“ dadurch jegliche Glaubwürdigkeit.

Anstatt Bitcoin-Mining und KI-Anwendungen korrekt einzuordnen, setzen die Autoren die beiden Technologien in Bezug auf die Umweltauswirkungen gleich. Dies ist jedoch entweder eine Fehlannahme durch schlechte Recherchearbeit oder ein bewusster Versuch, Bitcoin-Mining in ein schlechteres Licht zu rücken. Letzteres scheint aufgrund des Interessenkonflikts des IWF in Bezug auf Bitcoin wahrscheinlicher. Aus diesem Grund sollten politische Entscheidungsträger die Berichte des IWF nicht unhinterfragt für bare Münze nehmen.

Um den Sachverhalt besser einordnen zu können, ist ein Blick auf andere wissenschaftliche Arbeiten notwendig, worauf die Autoren des IWF-Berichts leider verzichtet haben.

Es ist korrekt, dass Bitcoin-Mining und Künstliche Intelligenz Gemeinsamkeiten besitzen. Sie verbrauchen viel Strom und sind deshalb auch Konkurrenten bei der Abnahme von Strom – insbesondere in den USA, wo der Ausbau der Stromkapazitäten seit 2007 nicht weiter vorangetrieben wurde. Zudem ist die Installation und der Betrieb beider Technologien in mobilen und modularen Rechenzentren möglich.

Doch sie unterscheiden sich in Bezug auf das Energieverbrauchsmuster, die Flexibilität und Skalierbarkeit, die Kostenempfindlichkeit und Rentabilität, die Unabhängigkeit von Standort und Zeit sowie letztlich auch die Umweltauswirkungen.

In einer Studie des Bitcoin Policy Institute verwenden die Autoren Margot Paez und Troy Cross die Metapher der Heuschrecken und der Mistkäfer, um den Unterschied zwischen KI-Rechenzentren und Bitcoin-Mining-Anlagen zu verdeutlichen.

Demnach sind Bitcoin-Mining-Anlagen „flexible, skalierbare, transportierbare, ortsunabhängige und preissensible Stromabnehmer“, die unermüdlich auf der Suche nach überschüssiger Energie (Abfall) sind – so zum Beispiel bei der Kombination mit intermittierender Solar- oder Windkraft, bei der Verwertung nicht genutzter Wasserkraft oder Geothermie oder zur Methanreduzierung auf Ölfeldern oder Mülldeponien. Sie verwerten Energie auf eine oft hilfreiche Weise.

Nur mit der kostengünstigsten Energie (meist unter 0,05 US-Dollar pro kWh), die sonst keine Abnehmer findet, können die Miner profitabel sein. Derartige Preise sind vorwiegend bei nachhaltigen Energiequellen möglich, das heißt, dass die Gewinnspannen von Anlagen, die fossile Energie verwenden, überwiegend kleiner sind. Aufgrund der Halving-Ereignisse ist auch die regelmäßige Modernisierung des Equipments notwendig, um rentabel zu bleiben.

Die verschwendete Energie kann überall auf der Welt von den Minern absorbiert werden. Eine hohe Latenz bei der Internetverbindung ist kein Problem, da die Nutzung der Kommunikationsressourcen minimal ist. Zudem sind die Miner in der Lage, sich auf Stromknappheit und -überfluss einzustellen und den Betrieb innerhalb weniger Sekunden hoch- und herunterzufahren. Einerseits geschieht dies, wenn der Strom knapp beziehungsweise der Strompreis zu teuer ist. Andererseits drosseln die Miner auch freiwillig den Betrieb, wenn der Netzbetreiber es von ihnen verlangt, so wie es beispielsweise bei den Demand-Response-Programmen des texanischen Stromnetzbetreibers ERCOT der Fall ist. Durch diese Nachfragesteuerung der Bitcoin-Miner kann ein Stromnetzbetreiber Netzausfälle verhindern, die Zuverlässigkeit des Netzes verbessern und somit das Netz und die Strompreise stabilisieren.

Während das Bitcoin-Mining also große Mengen an Strom verbraucht, nutzt es, genau wie der gemeine Mistkäfer, hauptsächlich das, was andere zurücklassen. 
_{Auszug aus der Studie}

Im Gegensatz dazu assoziieren die Autoren der Studie Heuschrecken mit herkömmlichen Rechenzentren, für zum Beispiel E-Mail-Server oder die Verwaltung von Videostreams, sowie den neuartigen Rechenzentren für KI bzw. HPC (High Performance Computing) mit deutlich höherer Leistungsdichte. Die Heuschrecken stürzen sich auf jede Energiequelle und verbrauchen sie zu ihren Bedingungen. Sie verbrauchen so viel Energie, wie das Stromnetz produzieren kann, was die Preise und die Emissionen in die Höhe treibt.

Insbesondere das Training der KI und die sogenannte Inferenz, bei dem die KI anhand der Anfragen der Nutzer lernt und Schlussfolgerungen zieht, sind für den hohen Energieverbrauch verantwortlich. Im Gegensatz zu den Bitcoin-Mining-Anlagen erfordern die KI-Rechenzentren auch eine zusätzliche Stromerzeugung für den Spitzenbedarf.

Laut der Studie sind die Gewinnspannen für KI-Anwendungen mit 3 bis 5 US-Dollar pro kWh bei Nvidia-Grafikprozessoren (GPUs) momentan bis zu 25 Mal höher als die Gewinnspanne beim Bitcoin-Mining, bei dem die effizientesten Maschinen 0,17 bis 0,20 US-Dollar pro kWh erwirtschaften. So sind die Heuschrecken weniger empfindlich gegenüber den Stromkosten. Sie können auch bei einem hohen Strompreis rentabel sein, sodass der Strompreis nicht ausschlaggebend für den Ort sein muss und die Heuschrecken mehr bezahlen können als die Mistkäfer oder andere Stromabnehmer. Umfangreiche KI-Modelle erfordern jedoch mehrere GPUs. Viele KI-Unternehmen streben die Mindestgröße von 10 Megawatt für eine Anlage an, während Mining-Unternehmen ab dem ersten ASIC-Miner an einem Standort Profite erwirtschaften können.

Obwohl der Ort in Bezug auf den Strompreis für die KI-Anwendungen nebensächlich ist, sind Heuschrecken nicht ortsunabhängig. Vor allem die Inferenzen sind orts- sowie bedarfsabhängig. Um Anfragen aus Ballungsgebieten schnell bearbeitet zu können, benötigen sie niedrige Latenzzeiten. Die Heuschrecken sind demnach gezwungen, den Betrieb in der Nähe von bevölkerungsreichen Gebieten anzusiedeln. Zudem kann der Wert der KI-Berechnungen zeitabhängig sein, das heißt, sie sind nicht immer gleich viel wert. Die Erträge durch das Bitcoin-Mining können sich zwar auch im Tagesverlauf ändern, doch hierbei gibt es keine generellen Spitzenzeiten.

Ein großer Unterschied zwischen Bitcoin-Mining und KI-Modellen liegt in dem Energieverbrauchsmuster. Während die Flexibilität der Mistkäfer perfekt die schwankende Energieversorgung durch erneuerbare Energien ausgleichen kann, ist der Stromverbrauch der Heuschrecken weitgehend unflexibel. KI-Rechenzentren müssen rund um die Uhr verfügbar sein. Die vertragliche Betriebszeit der Maschinen beträgt 99,99 Prozent, sodass die Maschinen ohne spezielle Software zur Verwaltung der Arbeitslasten nicht spontan ein- oder abgeschaltet werden können und demnach nicht so anpassungsfähig an den intermittierenden Charakter der erneuerbaren Energien sind.

Außerdem benötigen die KI-Anwendungen eine spezielle Kühlung, die laut Steven Barbour von Upstreamdata auch sehr teuer und wasserintensiv ist beziehungsweise bessere Luftqualität benötigt als in Bitcoin-Mining-Anlagen.

Die Autoren bemerken jedoch auch, dass es zu Überschneidungen von Mistkäfern und Heuschrecken kommen kann. Demnach gibt es auch kurze Zeitspannen, in denen Bitcoin-Mining-Unternehmen ähnlich wie Heuschrecken agieren und auch bei hohen Strompreisen rentabel Mining betreiben können – insbesondere, wenn der Bitcoin-Preis stark gestiegen ist. Durch die Anreizstruktur zieht das jedoch weitere Miner an, welche die Chance, einen Block zu finden, sowie die Gewinnspannen für alle Teilnehmer verringern. Schließlich gewinnen dann günstige Strompreise für die Rentabilität wieder vermehrt an Bedeutung.

Laut den Vermutungen der Autoren entwickeln sich die KI-Anwendungen zunehmend zu Mistkäfern, die zumindest beim Training in Zukunft auch flexibler sein könnten, auch um die günstigsten Strompreise zu nutzen. Die entsprechende Software, die den flexiblen Stromverbrauch der Bitcoin-Miner regelt, unterstützt bereits auch KI-Anwendungen. Die kostengünstigen Energiequellen werden somit auch für KI-Rechenzentren an Bedeutung gewinnen, vor allem wenn sich das Modelltraining verteilt.

Wie in dem IWF-Bericht, haben die Autoren der Studie probiert, den zukünftigen Stromverbrauch der beiden Branchen zu schätzen. Die Autoren weisen in der Studie jedoch mehrfach darauf hin, dass dies ein schwieriges Vorhaben ist. Prognosen des zukünftigen Energieverbrauchs seien noch schwieriger als Schätzungen des aktuellen beziehungsweise zurückliegenden Verbrauchs, erklären sie. Da es viele Faktoren gibt, die die Resultate beeinflussen könnten, sei Vorsicht beim Umgang mit derartigen Schätzungen geboten – auch in dieser Studie gibt es einige Ungenauigkeiten. Aktuelle industrielle oder akademische Studien existieren zu diesem Thema nicht.

Die Autoren schätzen den Stromverbrauch der Bitcoin-Mining-Anlagen in den USA im Jahr 2023 auf circa 48 Terawattstunden (TWh) und prognostizieren für das Jahr 2027 etwa 160 TWh. Die Schätzungen für den Stromverbrauch von US-KI-Servern im Jahr 2023 gehen mit 20 bis 125 TWh weit auseinander. Somit könnten KI-Anwendungen in den USA bereits jetzt schon mehr als das Doppelte des Stroms der Mining-Anlagen verbrauchen.

Zudem soll die Wachstumsrate von KI auch weitaus höher sein – zurzeit fließt mehr Kapital in den KI-Markt. Die International Energy Agency sagt für das Jahr 2026 einen zehnfachen Stromverbrauch für KI-Rechenzentren voraus. Weitere Prognosen für das Jahr 2027 beziffern den Stromverbrauch der US-KI-Rechenzentren zwischen 70 und 240 TWh. Laut dieser Studie wird der Energieverbrauch also garantiert ansteigen und weiter für Schlagzeilen sorgen.

Die Autoren wünschen sich von den politischen Entscheidungsträgern jedoch einen anderen Umgang mit dem steigenden Energieverbrauch. Dazu belegt die Studie mit den Daten von zehn verschiedenen Mining-Unternehmen in den USA und Kanada erstmals auch die Emissionseinsparungen, die sich durch den flexiblen Charakter der Bitcoin-Mining-Anlagen ergeben. So waren die untersuchten Mining-Anlagen zwischen 5 und 31 Prozent der Zeit abgeschaltet, wenn der Strompreis zu teuer war oder im Rahmen von Demand-Response-Programmen. Dieser flexible Energieverbrauch der Mistkäfer verursachte weit weniger Emissionen als die unflexiblen Rechenzentren der Heuschrecken: In drei Monaten haben die Anlagen im Vergleich zu den Rechenzentren im Dauerbetrieb mehr als 13.500 Tonnen Kohlendioxid vermieden. Demnach ist der flexible Charakter der Mistkäfer nicht nur für die Stabilisierung der Stromnetze bedeutsam, sondern auch für die Vermeidung zusätzlicher Emissionen. 
Die Nutzung der Abwärme für Heizprozesse unterschiedlichster Art führt darüber hinaus zu weiteren Emissionseinsparungen.

Flexible Rechenzentren wie Bitcoin-Mining-Anlagen [helfen] den Netzbetreibern, die Netze zu entkarbonisieren, während unflexible Rechenzentren dazu führen, dass die Netzbetreiber mehr fossile Grundlast ins Netz einspeisen müssen, um ihre Anforderungen rund um die Uhr zu erfüllen.
_{Daniel Batten, The Bitcoin ESG Forecast #14}

Auch andere Experten untermauern die ökologischen Vorteile des Bitcoin-Minings gegenüber KI-Anwendungen. Laut Steve Barbour sind zum Beispiel die Kosten für die Installation eines KI-Rechenzentrums pro Megawatt 10 bis 50 Mal höher als bei einer Bitcoin-Mining-Anlage. Dementsprechend höher sind dann auch die Ressourcenintensität und die damit verbundenen Umweltauswirkungen. Die notwendige Grundlast für KI-Rechenzentren erfordert zudem redundante, zuverlässige Stromquellen, die vor allem mit Kohle und Erdgas erreicht werden. Bei Stromausfällen oder zur Steigerung der Flexibilität sind zusätzliche Dieselgeneratoren erforderlich, die ein Backup ermöglichen. Diese Aspekte wirken sich alle auch auf die Emissionen aus.

Außerdem soll in einem KI-Rechenzentrum laut Barbour nicht nur die Infrastruktur der Kühlung umfangreicher, sondern auch die Einsatzzeit und die Qualifikation von Arbeitskräften bedeutend höher sein als in Bitcoin-Mining-Anlagen.

Barbour schätzt zudem, dass KI-Rechenzentren auch mehr Platz benötigen, da die Leistungsdichte der KI-Rigs nur der Hälfte der Mining-Rigs entspricht.

Daniel Batten sieht auch bei dem Aspekt des Elektroschrotts eine bessere Umweltbilanz bei den Bitcoin-Minern. Während viele Computerteile und GPUs umweltschädliche Stoffe enthalten und demnach nicht so leicht zu recyceln sind, sollen laut Batten die ASIC-Miner keine schädlichen Stoffe wie Schwermetalle enthalten und zu 100 Prozent recycelbar sein. Die bisherige Forschung stützte sich wiederholt auf falsche Daten von Alex de Vries, zum Beispiel was die Nutzungsdauer der ASICs betrifft. So werden die Geräte mehr als fünf Jahre genutzt, was fast dreimal höher ist als die Schätzungen von de Vries.

Letztlich finden von der Branche ausrangierte ASICs oft in anderen Regionen der Welt eine neue Verwendung, zum Beispiel als Katalysator für den Ausbau der Stromnetze und der erneuerbaren Energiequellen.

Mit den Ergebnissen der Studie des Bitcoin Policy Institute richten sich die Autoren an die politischen Entscheidungsträger. Sie sollten sich weniger auf den absoluten Stromverbrauch von Rechenzentren konzentrieren, sondern eher darauf achten, wie die Rechenzentren Strom verbrauchen. Letztlich soll die Politik die entsprechenden Strukturen und Anreizen zur Flexibilität und zur Integration von Rechenleistung und Energieerzeugung schaffen, um die Flexibilität von Rechenzentren, die Zuverlässigkeit der Stromnetze und die Verringerung von Emissionen voranzutreiben.

Das Bitcoin-Protokoll hat einen Zwang zur Suche nach kostengünstigen Strom und somit zur Flexibilität geschaffen. Die Politik sollte die flexible Last des Bitcoin-Minings nicht als feste Last betrachten und dafür sorgen, dass „Rechenzentren aller Art, die Flexibilität auf der Nachfrageseite bieten, sich mit den Netzbetreibern abstimmen“. Die Flexibilität ist nämlich auch für alle anderen Arten von Rechenzentren möglich. Jedes Rechenzentrum könnte den eigenen Backup-Modus optimieren, um flexibler zu sein, oder zum Beispiel selbst Strom erzeugen, um die Versorgungsunternehmen zu entlasten. Diese Betriebsweise könnte zwar die Emissionen sowie die Investitionskosten für das Netz erhöhen, doch Demand-Response-Programme könnten diese Kosten ausgleichen.

Unternehmen wie Verrus planen bereits flexible Rechenzentren mit Batterie-Microgrids, die 2026/2027 fertiggestellt werden sollen. Außerdem integrieren immer mehr Bitcoin-Mining-Unternehmen auch die Künstliche Intelligenz in ihre Anlagen. Zudem investieren große Datenunternehmen wie Microsoft, Meta, Google und Amazon in Energieerzeugungsprojekte und werden dadurch auch zu Energieunternehmen.

Die flexiblen Rechenzentren beschleunigen letztlich den Ausbau nachhaltiger Energiequellen, da mehr Flexibilität mehr erneuerbare Energien absorbieren kann und damit zusätzliche Einnahmen der Stromerzeuger ermöglicht. Dadurch wird schließlich auch den negativen Folgen einer „Heuschrecken-Plage“ entgegengewirkt.